双层折叶桨式搅拌器三维流场的数值模拟.pdf

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1、第42卷第3期化工机械42l双层折叶桨式搅拌器三维流场的数值模拟+李迅料∽林如山1叶国安1胡晓丹2何辉1(1．中国原子能科学研究院放射化学研究所；2．中核四。四有限公司第四分公司)摘要采用计算流体力学(CFD)模拟软件MIXSIM对熔盐萃取过程中使用的双层折叶桨式搅拌器在萃取槽内形成的三维流场进行模拟研究，得到搅拌桨固定位置特定转速条件下萃取槽内的压力分布云图、速度分布云图和速度矢量图，明确了槽内熔盐的流动状态，为搅拌器和萃取槽的后续设计与优化提供理论参考。关键词搅拌反应器萃取槽三雏流场计算流体力学MIXSIM数值模拟中图分类号TQ051．7文

2、献标识码A文章编号0254-6094(2015)03-0421-04搅拌反应器广泛应用于石油、化工、冶金及水处理等工业领域¨1，其主要作用是促进不同物相之间的传质与传热，因此关于搅拌槽内流体流动状态(包括速度场和压力场的分布与变化)的实验研究和数值模拟一直很受重视H“1。早期的研究多以实验模拟为主，如选用与真实体系物料性质相似的模拟材料在透明容器中进行搅拌，通过照相技术或直接观察来判断流体运动状态和搅拌效果。随着计算机技术的高速发展，利用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)对流体运动、传热和相关现象进行分

3、析研究已变得越来越普遍。MIXSIM是Fluent公司开发的针对搅拌混合问题的专用CFD软件，该软件人机交互界面友好，能够快速得到搅拌容器、搅拌桨的计算模型和混合特性，将流体运动现象可视化，为工程人员提供整体性定量报告。笔者采用该软件对熔盐萃取中使用的双层折叶桨式搅拌器在半球底萃取槽中搅拌形成的三维流场进行了数值模拟研究，预测了萃取槽中各处流体运动和压力分布状态，为后续搅拌器、萃取槽的设计和优化提供参考。1搅拌器与萃取檀几何模型及参数以实际应用为基础，利用某公司熔盐萃取项目中使用的双层折叶桨式搅拌器(图1)和半球底结构萃取槽(图2)进行研究。搅

4、拌器两层桨叶直女国家自然科学基金资助项目(91226201)。}$李迅，男，1980年11月生，工程师。北京市，102413。径均为45ram，宽为lOmm、厚为1．2mm，每层桨叶数量为2，倾斜角度为450，且方向相反，叶片层间距为45ram，下搅拌桨距萃取槽底部25mm；搅拌轴直径8ram，搅拌器以700r／min恒定转速顺时针旋转；萃取槽直径100mm，总高度110ram，液面高度lOOmm，无挡板。图1双层折叶桨式搅拌器模型-LJ觥浆●F搅拌桨图2半球底结构萃取槽模型本次模拟以NaCI-KCI-MgCl：混合熔盐为工422化工机械201

5、5年作介质，软件中所需输入的主要物性参数是8500C下熔盐的密度为1550kg／m’，粘度为2mPa·s。2数值模拟过程在软件中输入搅拌器和萃取槽模型各部位尺寸数据可以自动生成模型，MIXSIM能自动为整个区域生成非结构化网格，针对槽内构件的不同结构采用合适的网格间距，在保持单元数目较少的情况下，确保各种几何模型都具有良好的网格质量。桨叶的网格划分情况如图3所示，模型整体网格划分情况如图4所示，总网格数为182793个。笔者采用多重参考系法(MRF)，桨叶及其附近流体区域定义为运动区域，采用旋转坐标系；其他区域定义为静止区域，采用静止坐标系。图

6、3桨叶网格划分图4模型整体网格划分本次模拟求解器采用MIXSIM默认的Fluent求解器，湍流模型选用Realizablek-6双方程模型，迭代计算5000次后，发现残差曲线逐渐趋于平直，各项残差值均低于10～，说明该模型的收敛效果较好，网格划分较为理想。3计算结果及分析3．1压力场迭代计算完成后，将控制面板转换至Fluent界面进行后处理，利用Fluent提供的图形工具可以方便地得到压力云图。图5为搅拌器外表面的静压力分布云图，可以看出，在迎风面越靠近桨叶边缘，静压力越大；在背风面则相反。这表明搅拌桨各部位的压力与线速度和运动方向密切相关，即

7、线速度越大，压力越大，且迎风面的静压力大于背风面的静压力。『Ip似h寒．j■■■一9I—垄鞋婵图5搅拌器外表面的静压力分布云图图6a为Y=0．Omm平面(即搅拌器中间最大纵截面)的压力分布云图，图6b为彳=10．Omm平面(即距搅拌器底10．Omm平面)的压力分布云图。从图6可以看出，萃取槽径向压力从外到里逐渐减小，靠近搅拌轴区域最小，且以搅拌轴为中心对称分布；轴向压力以下搅拌桨为分界线，叶片正下方压力最小且为负值，远小于槽内其他区域的压力，这是由下搅拌桨叶片的倾斜方向和搅拌轴的旋转方向决定的。在搅拌器的作用下，熔盐从四周压力较高的区域向中间压

8、力较低的区域流动，底部的熔盐不断向上抽送，与中上层料液充分混合，满足实际T艺中传质的需求．【、!㈠J1【l—i、算羞善l单位：PaI三Bb．z：10．